Introdução à Radiação Térmica

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INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA
RADIAÇÃO
Prof. Aloisio Ribeiro
e-mail: aloisio.ribeiro@newtonpaiva.br
RADIAÇÃO:
CONCEITOS FUNDAMENTAIS:
Considere um sólido que se encontra inicialmente a uma temperatura mais
elevada Ts do que a de uma vizinhança Tvis, mas ao redor do qual há
vácuo (figura abaixo). A presença do vácuo impede a perda de energia na
superfície do sólido por condução ou convecção. Contudo, nossa intuição
nos diz que o sólido irá esfriar e finalmente atingir o equilíbrio térmico com
a vizinhança. Esse resfriamento está associado a uma redução na energia
interna armazenada pelo sólido e é uma consequência direta da emissão
de radiação térmica pela sua superfície. Por sua vez, a superfície irá
interceptar e absorver radiação originada na vizinhança. Entretanto, se
Ts>Tviz a taxa de transferência de calor por radiação líquida, qrad,liq, está
saindo da superfície e a superfície esfriará até que Ts, atinja Tviz.
Nós associamos a radiação térmica à taxa na qual a energia é imitida pela
matéria como um resultado de sua temperatura não-nula. Nesse momento,
radiação térmica está sendo emitida por toda matéria e circunda você: pela
mobília e pelas paredes da sala, se você está em um ambiente fechado, ou
pelo solo, pelos prédios e pela atmosfera e sol, se você está em um
ambiente aberto. O mecanismo da emissão está relacionado à energia
liberada como um resultado de oscilações ou transições dos muitos
elétrons que constituem a matéria.
Essas oscilações são, por sua vez, sustentadas pela energia interna e,
consequentemente pela temperatura da matéria. Assim associamos a
emissão de radiação térmica às condições excitadas termicamente no
interior da matéria.
Todas as formas de matéria emitem radiação. Em gases e sólidos
semitransparentes, como o vidro e cristais de sais a elevadas
temperaturas, a emissão é um fenômeno volumétrico, como ilustrado na
figura abaixo. Em (a) como um fenômeno volumétrico e em (b) fenômeno
superficial.
Isto é, a radiação que emerge de um volume finito de matéria corresponde ao
efeito integrado da emissão local em todo o volume. Entretanto, vamos
concentrar em situações nas quais a radiação é um fenômeno de superfície.
Na maioria dos sólidos e líquidos, a radiação emitida pelas moléculas
localizadas no interior do volume é em grande parte absorvida pelas
moléculas a elas adjacentes. Consequentemente, a radiação que é emitida
por um sólido ou de um líquido para o interior de um gás a eles adjacente ou
para o vácuo é vista como um fenômeno superficial, exceto em situações
envolvendo dispositivos em nano ou microescala.
Sabemos que a radiação surge da emissão pela matéria e que o seu
transporte subsequente não exige a presença de qualquer matéria. Mas qual
é a natureza desse transporte? Uma teoria vê a radiação como a propagação
de um conjunto e partículas conhecidas por fótons ou quanta.
Alternativamente, a radiação pode ser vista como a propagação de ondas
eletromagnéticas. Em qualquer caso, desejamos atribuir para a radiação as
propriedades de ondas padrões de frequência . E de comprimento de onda
...
Para a radiação se propagando em um determinado meio, as duas
propriedades estão relacionadas por:
Onde C é a velocidade da luz no meio. Para a propagação no vácuo,
Co=2,998x10
8m/s. A unidade de comprimento de onda é comumente o
micrômetro
O espectro eletromagnético completo está delineado na figura Abaixo:
As radiações de pequeno comprimento de onda raios gama, raios X e
ultravioleta (UV) são principalmente de interesse dos físicos de altas
energias e dos engenheiros nucleares, enquanto as microondas e as ondas
de rádio, que possuem grandes comprimentos de onda
(lâmbida>105micrometros), são de interesse dos engenheiros eletricistas.
É a porção intermediária do espectro, que se estende
aproximadamente de 0,1 até 100 micro metros e que
inclui uma fração da UV e todo o visível e o
infravermelho (IV), que é a chamada de radiação
térmica, porque é a causada e porque afeta o estado
térmico ou a temperatura da matéria. Por essa razão,
a radiação térmica é pertinente à transferência de
calor.
A radiação térmica emitida por uma superfície inclui uma faixa de
comprimentos de ondas, como mostrado na figura (a) abaixo, a magnitude da
radiação varia com o comprimento de onda. Como poderemos ver, tanto a
magnitude da radiação em qualquer comprimento de onda quanto a
distribuição espectral variam com a natureza e a temperatura da superfície
emissora.
INTENSIDADE DE RADIAÇÃO:
A radiação que deixa uma superfície pode se propagar em todas as
direções possíveis, e frequentemente estamos interessados em conhecer a
sua distribuição direcional.
Também, a radiação que incide sobre uma superfície pode vir de diferentes
direções e a maneira pela qual a superfície responde a essa radiação
depende da direção.
Tais efeitos direcionais podem ser de principal importância na
determinação da taxa de transferência de calor radiante líquida e podem
ser tratados com a introdução do conceito de intensidade de radiação.
MODELO DE RADIAÇÃO
A radiação é um fenômeno superficial em que o calor emitido de acordo
com a temperatura superficial do material (Figura abaixo). A energia do
campo de radiação é transportada por ondas longas eletromagnéticas.
Enquanto a transferência de calor por condução e convecção requer a
presença de um meio material (sólido ou fluído), a radiação ocorre no
vácuo, sem precisar de meio
A taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m2) é
conhecida também como poder emissivo, que é previsto pela Lei de
Steffan-Boltzmann onde Tsup deve ser considerada em unidades
absolutas (K) e σ é a constante de Steffan-Boltzmann
(σ = 5,67 x 10-8 W/m2 K4). A emissividade (ε) é uma propriedade
radiante da superfície que define uma relação entre a capacidade de
emissão do material comparado com um componente ideal, conhecido
como corpo negro (0 ≤ ε ≤ 1). Ela depende do tipo de material usado na
superfície, seu acabamento e sua cor.
Onde E é uma propriedade radiante da superfície conhecida por emissividade 
E essa propriedade fornece uma medida da eficiência na qual uma superfície 
Emite energia em relação ao corpo negro. Ela depende fortemente do material
Da superfície e de seu acabamento.
BALANÇO ENERGÉTICO 
O balanço de energia na envolvente da edificação tem como base a
primeira lei de termodinâmica, a lei da conservação de energia. Esta lei
estabelece que a quantidade de energia térmica (calor) que entra em um
volume de controle - no caso a envolvente (Ea), mais a quantidade de
calor gerada no interior do volume (Eg), menos a quantidade de energia
que deixa o volume (Es) deve ser igual ao aumento da quantidade de
energia armazenada (Ear) no volume de controle (Figura abaixo).
O alcance da disciplina não considera o estudo de mecanismos de
geração de calor na envolvente. Esta simplificação permite estabelecer o
balanço energético como a diferença entre a energia que ingressa e sai da
envolvente deve ser igual à variação de energia (calor armazenado ou
liberado) no interior da envolvente.
Para resolver problemas de transferência de calor, a palavra chave é
balanço energético e recomenda-se utilizar o seguinte esquema de
resolução:
Modelo: Organize todos os dados do seu problema (revise as unidades).
Realize um esquema gráfico identificando o ponto ou volume de
controle (nó ou envolvente) e os fenômenos físicos que participam nele.
Verifique se suas hipóteses são válidas.
Objetivo: Identifique as grandezas físicas a determinar. 
Lei geral: Estabeleça o balanço energético identificando seus
componentes no modelo gráfico.
Leis particulares: Para cada componente,identificar o tipo de lei que o
representa (Fourier, Newton ou Steffan-Boltzmann) e desenvolva a
equação de balanço com as relações correspondentes.
Solução: Substitua as variáveis pelos valores numéricos (dados) e
execute os cálculos necessários.
Discussão: Questione os resultados obtidos. Analise se eles são
coerentes com a proposta do problema.
Exemplo:
Uma tubulação de vapor d´água sem isolamento térmico atravessa uma
sala na qual o ar e as paredes se encontram a 25ºC. O diâmetro externo do
tubo é de 70mm, a temperatura de sua superfície é de 200ºC e esta
superfície tem emissividade igual a 0,8. Quais são o poder emissivo da
superfície e a sua irradiação?.
Achar:
Poder emissivo da superfície e irradiação.